一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金及其制備方法，由生物安全元素組成，其成分(at.％)為20％的鋯(Zr)、10％的鈮(Nb)、2～4％的鉭(Ta)和余量的鈦(Ti)組成。通過(guò)不同的熱處理工藝，該合金具有不同的功能特性——寬溫域超彈性和高溫形狀記憶效應(yīng)：600℃退火、空冷后的Ti-20Zr-10Nb-(2～4)Ta室溫為β相，具有寬溫域(-196～135℃)超彈性，其最大室溫超彈性為4.9％，50℃超彈性最大，為5.0％；600℃退火、水中淬火后的Ti-20Zr-10Nb-(2～4)Ta室溫為α”相，具有高溫形狀記憶效應(yīng)，逆馬氏體相變峰值溫度范圍為97℃～130℃，最大形狀記憶效應(yīng)3.34％。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于形狀記憶合金【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金材料，通過(guò)在T1-20Zr-10Nb (原子百分比at.%，下同)合金中添加2~4%原子比的Ta，制備出一種新型四元T1-Zr基形狀記憶合金。
【背景技術(shù)】
[0002]目前所有的商用超彈性形狀記憶合金，其使用的溫度范圍極其有限:Ti_Ni在-20~80°C具有超彈性，F(xiàn)e-N1-Co-Al小于50°C時(shí)具有超彈性，Cu-Al-Mn小于6(TC時(shí)具有超彈性。它們只在很窄的溫度范圍內(nèi)具有超彈性，這就大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。因此有必要發(fā)展一種具有寬溫域超彈性的形狀記憶合金，在太空(-150~120°C )、汽車(chē)(-50~1500C )、抗震(-50~50°C )等眾多領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。
[0003]良好的形狀記憶效應(yīng)和室溫超彈性是功能性生物材料重要的特征，在生物醫(yī)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。T1-Ni形狀記憶合金以其良好的形狀記憶特性和超彈性，已在生物醫(yī)學(xué)、航空航天和日常生活等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，T1-Ni合金中溶出的Ni離子的細(xì)胞致敏性和毒性已得到確認(rèn)，因此發(fā)展完全由生物安全元素制成的新型無(wú)Ni形狀記憶合金已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。申請(qǐng)?zhí)枮镃N200710175508的專(zhuān)利申請(qǐng)文件中公開(kāi)了一種鈦鋯鈮錫高溫形狀記憶合金材料及其制備方法，所述材料由30~40at.%的鋯、0.2~1at.%的鈮、5~1at.%的錫和余量的鈦組成。該合金形狀記憶效應(yīng)約為1.5%，但未見(jiàn)室溫超彈性的報(bào)道。申請(qǐng)?zhí)枮镃N201210159967的專(zhuān)利申請(qǐng)文件中提供了一種鈦鋯鈮鐵形狀記憶合金，由10~40at.%的鋯、5~20at.%的鈮、0.1~1at.%的鐵和余量的鈦組成，其最大室溫超彈性為3.1%，最大形狀記憶效應(yīng)為4.1%，但無(wú)寬溫域超彈性的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有形狀記憶合金功能特性的單一性和局限性，提供一種兼具寬溫域超彈性、高溫形狀記憶效應(yīng)和生物安全性的新型T1-Zr基形狀記憶合金。在T1-20Zr-10Nb合金基礎(chǔ)上，通過(guò)添加合金元素Ta，制備出T1-20Zr_10Nb- (2~4) Ta新型四元T1-Zr基形狀記憶合金，通過(guò)不同的熱處理工藝，使其具備寬溫域(_196°C~135°C )超彈性和高溫形狀記憶效應(yīng)。優(yōu)選實(shí)施例合金組份見(jiàn)表1。
[0005]表1優(yōu)選實(shí)施例合金組份
[0006]
【權(quán)利要求】
1.一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金，其特征在于:所述鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金的各成分按照原子百分比由20%的鋯、10%的鈮、2~4%的鉭和余量的鈦組成，并且上述各成分的含量之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金，其特征在于:該鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金為T(mén)1-20Zr-10Nb-2Ta。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金，其特征在于:該鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金為T(mén)1-20Zr-10Nb-4Ta。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金，其特征在于:所述鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金在-196~135°C之間331°C的范圍內(nèi)具有超彈性，最大室溫超彈性為4.9%，50°C時(shí)超彈性最大，達(dá)到5.0%，屈服強(qiáng)度為294~649MPa，抗拉強(qiáng)度為637~1154MPa，室溫彈性模量為45~55GPa，延伸率為8~12%。
5.一種具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:使用純度99.7%的海綿鈦顆粒、純度99.7%海綿鋯顆粒、純度99.9%的中間合金Nb-Ti屑、純度99.9%的中間合金Nb-Ta屑為原料，按照2~4at.% Ta、20at.% Zr、1at.% Nb，其余為T(mén)i的成分配比，準(zhǔn)備各原料； 第二步:將所有原料混合均勻后，采用冷等靜壓的方法壓制成棒料，再進(jìn)行真空除氣； 第三步:將真空除氣后 的棒料在真空自耗電弧爐內(nèi)焊接成一次自耗電極并進(jìn)行真空自耗電弧熔煉，得到鑄錠； 第四步:將鑄錠放在真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行800~1000°C、6~8小時(shí)均勻化處理，進(jìn)一步消除成分偏析； 第五步:對(duì)均勻化處理后的鑄淀進(jìn)行鍛造，消除鑄造缺陷，同時(shí)細(xì)化晶粒，提聞材料綜合力學(xué)性能； 第六步:采用線(xiàn)切割法沿橫截面將鍛造后的鑄錠切薄板并進(jìn)行冷軋，變形量不小于75% ； 第七步:對(duì)冷軋后的板材加熱到600°C，保溫30分鐘，然后進(jìn)行空冷或者水中淬火，即得到具有寬溫域超彈性的鈦鋯鈮鉭形狀記憶合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于:第二步中冷等靜壓壓力為280MPa，保壓時(shí)間為10分鐘；真空除氣溫度為750°C，保溫時(shí)間為5分鐘，真空度為5X 10_3Pa。
【文檔編號(hào)】C22C14/00GK104032188SQ201410282727
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】李巖, 姚禮 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)